专利名称：多元多尺度纳米复合陶瓷刀具材料及其制备工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及到复合陶瓷刀具材料及其制备工艺，尤其是多元多尺度纳米复合陶瓷刀具材料及其制备工艺。
背景技术：
随着先进制造技术向高效率、高精度及绿色化方向发展，高速硬态干式切削已成为国际上切削加工的主流。陶瓷刀具材料化学稳定性好、摩擦系数低、硬度高达92～95.5HRA，耐磨性为硬质合金的3～5倍，高温性能好，1200℃～1400℃时其硬度仍可达80HRA，相当于硬质合金在200℃～400℃时的硬度，因此在高速切削加工难加工材料方面，陶瓷刀具是高速钢和硬质合金刀具无法比拟的。目前世界上陶瓷刀具材料的产值平均每年以10％的幅度(大约16亿美元)逐年递增，陶瓷材料已成为国际上公认的，提高生产率最有希望的刀具材料之一。然而现有陶瓷刀具的抗弯强度及断裂韧性相对较低，尤其是低断裂韧性(即脆性大)限制了陶瓷刀具的广泛应用，亟待研制同时具有高韧、高强和高硬度的陶瓷刀具材料。
对于微米尺度陶瓷刀具材料，晶须增韧效果最显著，但晶须成本较高，且制备过程有毒；相变增韧幅度较大但易高温老化；而弥散颗粒对裂纹的钉扎作用及裂纹偏转机制则是简单易行且能胜任高温的增韧手段。纳米颗粒则通过晶粒细化、位错网强化、晶界钉扎、晶界增强及裂纹愈合强化等作用，使纳米复合陶瓷的抗弯强度极大提高。已有的陶瓷刀具材料多是采用颗粒弥散增韧、晶须或纤维增韧、相变增韧、协同增韧等机理，研制出的各种微米尺度复相陶瓷刀具，其断裂韧性有了较大提高。近年来，随着超细粉末的产业化生产，以添加纳米颗粒作为增强相的纳米复相陶瓷材料得到广泛关注。有关超细粉高强度纳米复相陶瓷的研究，已有报道，但是这种单尺度复合或者单组元复合的纳米陶瓷刀具材料的综合力学性能不够高，不能满足高速切削的使用要求。
发明内容本发明的目的是将微米尺度的增韧作用和纳米尺度的增强作用相结合，通过合理科学地进行组分设计及尺度设计，采用同时引入微米及纳米尺度的单相颗粒复合或同时添加多尺度及多相颗粒复合，充分发挥微米增韧和纳米补强及多元协同增强的作用，研究具有高可靠性和高综合力学性能的陶瓷刀具材料。新型多元多尺度纳米复相陶瓷刀具的研制成功必将促进高效机床及高速、高精度切削技术的发展。
本发明的基本构思是以氧化铝为基体，采用高强度、高硬度、耐高温、抗氧化的碳化硅为添加剂，将一定配比的SiC微米粉末或Ti(C，N)纳米固溶体及SiC纳米粉末加入微米氧化铝中，采用防团聚新技术对纳米粉末进行分散，研制出多元多尺度纳米复合陶瓷刀具材料及其烧结工艺。
多元多尺度纳米复合陶瓷刀具材料的组成材料比例为(体积比％)SiC(微米)0-12％，SiC(纳米)1-9％，TiC(1um)1-42％，TiN(20nm)1-11％，Y2O30-1.5％，Ti(C，N)(纳米)0-30％，Mo 0-1.5％，Ni 0-1.5％，MgO 0-1％，Al2O3颗粒 余量。
该材料制备工艺包括分散处理工艺和热压成型工艺，分散处理工艺是将按材料配比配制的微米粉末与纳米粉末加无水乙醇构成的的稀浆，于超声分散机中机械搅拌和超声振动5-10小时，经真空干燥后用100目筛筛选、造型；在氩气气氛保护和1600℃-1800℃温度下加压30MPa，热压30-40分钟烧结成型。
本发明构思新颖，用价格便宜的颗粒取代晶须，降低了材料成本。采用微米增韧和纳米补强协同作用，使纳米复合陶瓷刀具材料获得晶内/晶间混合型显微结构和沿晶/穿晶共存的断裂模式，来提高陶瓷刀具材料的断裂韧性和抗弯强度，其整体机械性能得到优化，克服了单一组元或单一尺度颗粒复合时只提高某一项性能的弊端。用该材料制做的陶瓷刀具的硬度和抗磨损性能良好，使用寿命长，其性能价格比合理。
(四)实施例按实施例附表1中所列的组成成份，先将微米粉末和纳米粉末加无水乙醇构成的稀浆，于超声分散机中机械搅拌和超声振动5-10小时，混匀后将此混合料放入真空干燥箱中干燥，干燥后用100目筛筛选，用石墨模在氩气气氛中，按实施例附表2中所列的烧结工艺进行热压烧结，即得到致密度高于99％的胚料，经切割磨光和超声波加工后即制成陶瓷刀具。
实施例表1 原料成分配比(体积比，％)
实施例表2 烧结工艺及力学性能
权利要求
1.多元多尺度纳米复合陶瓷刀具材料，其特征为材料的组成比例为(体积比％)SiC(微米)0-12％，SiC(纳米)1-9％，TiC(1um)1-42％，TiN(20nm)1-11％，Y2O30-1.5％，Ti(C，N)(纳米)0-30％，Mo 0-1.5％，Ni 0-1.5％，MgO 0-1％，Al2O3颗粒余量。
2.制备权利要求1所述的多元多尺度纳米复合陶瓷刀具材料的制备工艺，其特征为该材料制备工艺包括分散处理工艺和热压烧结成型工艺，分散处理工艺是将按材料配比配制的微米粉末与纳米粉末加无水乙醇构成的稀浆，于超声分散机中机械搅拌和超声振动5-10小时，经真空干燥后用100目筛筛选、造型；在氩气气氛保护和1600℃-1800℃温度下加压30MPa，热压30-40分钟烧结成型。
全文摘要
本发明涉及到复合陶瓷刀具材料及其制备工艺，尤其是多元多尺度纳米复合陶瓷刀具材料及其制备工艺。该材料组成比例为(体积比％)SiC(微米)0－12％，SiC(纳米)1－9％，TiC(1μm)1－42％，TiN(20nm)1－11％，Y
文档编号C04B35/622GK101054295SQ200610043598
公开日2007年10月17日 申请日期2006年4月14日 优先权日2006年4月14日
发明者黄传真, 刘含莲, 艾兴 申请人:山东大学